一種電能計(jì)量檢查的數(shù)字智能速算方法設(shè)計(jì)

閆明文，梁言賀，宮 游，劉惠穎，滿江雪

(國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司 供電服務(wù)中心，黑龍江 哈爾濱 150000)

電網(wǎng)設(shè)施是我國(guó)重要的國(guó)民基礎(chǔ)設(shè)施，電能是我國(guó)應(yīng)用最廣泛的能源形式。在大營(yíng)銷理念的支持下，電網(wǎng)公司的防竊電工作是保護(hù)電能資源配給市場(chǎng)公平性，確保電網(wǎng)企業(yè)基本利潤(rùn)，優(yōu)化國(guó)有資金投資回報(bào)率的重要工作內(nèi)容[1]。在400 V用電網(wǎng)絡(luò)上，接入式智能電能表通過(guò)脈沖輸出轉(zhuǎn)數(shù)N和電表常數(shù)C進(jìn)行電能計(jì)量，即通過(guò)P1=N/Ct的計(jì)量模式獲得電能；同時(shí)，電能表還會(huì)記錄電流I電壓U值并形成錄波圖數(shù)據(jù)庫(kù)，這些數(shù)據(jù)一方面通過(guò)P2=U·I·cosθ形成參照數(shù)據(jù)；一方面通過(guò)錄波圖數(shù)據(jù)推算用電行為的特征圖譜，并分析其用電行為的合法性[2]。

傳統(tǒng)的快速推算法，主要比較P1與P2，或通過(guò)P2=P1的等式推算C=3 000 r/(kW·h)的電表常數(shù)偏差率。因?yàn)椴皇撬械闹悄茈娔鼙矶加杏涗沀、I錄波圖的功能，所以在此種模式下，往往需要接入外接電壓、電流計(jì)量設(shè)備的方式獲得推算結(jié)果[3]。且這種模式僅可判斷用戶用電條件下C值的偏差率，無(wú)法判斷用戶的用電行為是否合法[4]。

本文計(jì)劃研究一種僅針對(duì)N值分配特征的智能電表計(jì)量檢查模型，且該模型可以向數(shù)據(jù)深度挖掘應(yīng)用場(chǎng)景擴(kuò)展，應(yīng)用于用戶用電行為分析[5]。

1 傳統(tǒng)的電能表計(jì)量檢查快速推算法

1.1 基本推算方法

根據(jù)W=P·t=N/C=U·I·tcosθ連續(xù)恒等式的計(jì)量原理，可以得到：

(1)

式中：C′為電能表理論常數(shù)目標(biāo)值；N為測(cè)試周期內(nèi)的電能表脈沖數(shù)(轉(zhuǎn)數(shù))；kI為電流互感器的變比(接入式電流表變比為1)；kU為電壓互感器的變比(接入式電壓表變比為1)；t為電能表檢查試驗(yàn)的測(cè)試時(shí)間；P=U·I·cosθ為電能表測(cè)試時(shí)的用電功率。

該試驗(yàn)過(guò)程需要有2個(gè)必要條件：①測(cè)量過(guò)程中，電能表工作回路內(nèi)的三相電流保持平衡且用電量平穩(wěn)；②三相負(fù)荷的功率因數(shù)為1。

此時(shí)，對(duì)于功率P的確認(rèn)方式有以下的一個(gè)公式：

(1)單相用電回路的功率：

P=U·I·cosθ

(2)

(2)三相4線用電回路的功率：

P=PA+PB+PC=UAIAcosθA+
UBIBcosθB+UCICcosθC

(3)

(3)對(duì)稱型三相3線回路的功率：

(4)

(4)不對(duì)稱三相3線回路的功率：

PC=UAB·IA·cosθA+UCB·IC·cosθC

(5)

式(2)～式(5)中：cosθ為功率因數(shù)，在快速推算過(guò)程中，認(rèn)為功率因數(shù)恒為1；在計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算中，或需要進(jìn)行深入檢查時(shí)，此功率因數(shù)可取經(jīng)驗(yàn)值0.8～0.9。在絕大多數(shù)條件下，因?yàn)殡娔鼙碇獾碾妷罕戆惭b較為困難，而電流表可以直接使用鉗形表在電能表箱中不拆解安裝；所以，電壓值一般取對(duì)地220 V或相間380 V，其檢查時(shí)的接線圖如圖1所示。

圖1 電能表計(jì)量檢查接線圖Fig.1 Wiring diagram for metering inspection of electric energy meter

由圖1可知，在秒表t值的驅(qū)動(dòng)下，使用電能表直接讀取脈沖數(shù)N值、W值，使用鉗形電流表讀取電能表經(jīng)過(guò)的電流值I值；三相電能表系統(tǒng)中包括IA、IB、IC。即在該檢查驗(yàn)證系統(tǒng)中，I值、N值、W值、t值得到采集后，在U=220 V的假定下，使用上述公式函數(shù)進(jìn)行基于快速推算的電能表計(jì)量檢查[6-7]。

1.2 基本推算方法的現(xiàn)狀及問(wèn)題

目前大部分智能電能表，僅可通過(guò)刷卡式抄表系統(tǒng)報(bào)送當(dāng)前電能計(jì)數(shù)，該種智能電能表的智能化程度不高，無(wú)法進(jìn)行電流、電壓錄波圖的錄制，無(wú)法記錄每個(gè)脈沖的時(shí)間戳，無(wú)法實(shí)現(xiàn)電能信息的遠(yuǎn)程抄表功能[8]。隨著智能電網(wǎng)技術(shù)逐漸成熟，因?yàn)橛脩粲秒娦枨蟮尿?qū)動(dòng)力，分時(shí)電能表開(kāi)始得到應(yīng)用；但該種分時(shí)電能表也無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖時(shí)間戳進(jìn)行記錄，僅可在不同時(shí)間段下將計(jì)量脈沖向平、谷、峰、總等計(jì)數(shù)器累積[9-10]。

智能電能表的數(shù)據(jù)采集能力及分布式處理能力需求情況如圖2所示。

圖2 電能表數(shù)據(jù)采集能力需求示意圖Fig.2 Schematic diagram of data acquisition capacity demand of electric energy meter

由圖2可知，完整的智能電能表數(shù)據(jù)需求，包括三相分別生成的總、谷、峰、平電能消耗記錄及其錄波圖及三相的電壓、電流的時(shí)域錄波圖數(shù)據(jù)[11]。但這種電能表價(jià)格昂貴，對(duì)市民正常用電計(jì)量來(lái)說(shuō)性價(jià)比不高，所以市場(chǎng)上大量布局的電能表，可能僅能記錄總、谷、峰、平等時(shí)間段的總計(jì)量值[12]。

傳統(tǒng)模式下，為了更精確地使用上述公式和上述數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)量檢查，需要檢查人員到現(xiàn)場(chǎng)后進(jìn)行手持秒表配合肉眼觀察下的脈沖記錄且實(shí)現(xiàn)對(duì)電流、電能等數(shù)據(jù)的手動(dòng)測(cè)量，并實(shí)現(xiàn)對(duì)電能表計(jì)量檢查的快速推算[13]。

這種計(jì)量檢查模式在操作過(guò)程上實(shí)現(xiàn)難度較大，數(shù)據(jù)誤差難以得到有效控制。所以，需要一種在置信度更高的記錄集上運(yùn)行操作的快速推算法算法[14]。

2 電能表計(jì)量檢查的快速推算的新算法設(shè)計(jì)

分析放棄現(xiàn)場(chǎng)專項(xiàng)檢查后的可用數(shù)據(jù)，即在日常抄表工作中發(fā)現(xiàn)電能表的計(jì)量數(shù)據(jù)，可以至少得到每月電能表的平、谷、峰、總讀數(shù)。其邏輯關(guān)系：

(6)

但是，單純使用該方法還不足以完成電能表計(jì)量檢查。電能表計(jì)量檢查的核心目的是發(fā)現(xiàn)電能表計(jì)量中的誤差表現(xiàn)，所以，有必要使用標(biāo)準(zhǔn)偏差法對(duì)電能表后推m個(gè)計(jì)量周期內(nèi)數(shù)據(jù)確定標(biāo)準(zhǔn)偏差σ。其計(jì)算公式：

(7)

式中：ΔWi為第i個(gè)月的電能表計(jì)量數(shù)據(jù)，其中，總、平、谷、峰電能計(jì)量數(shù)據(jù)，均可進(jìn)行該標(biāo)準(zhǔn)偏差求值；ΔWi=Wi-Wi-1。此時(shí)，考察S=σ/W值，S值增大，則意味著電能表計(jì)量精度下降；如果S大于某閾值時(shí)，則認(rèn)為該電能表出現(xiàn)計(jì)量問(wèn)題[16]。

但是，絕大部分電能表計(jì)量問(wèn)題發(fā)生在近1～2個(gè)月計(jì)量周期內(nèi)，此時(shí)應(yīng)考慮最后1～2個(gè)月的計(jì)量數(shù)據(jù)對(duì)σ值的影響，則在式(7)的基礎(chǔ)上，排除最后f=1～2個(gè)月數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)偏差率求值：

(8)

式中：數(shù)學(xué)符號(hào)含義同式(7)。

在計(jì)算S值的同時(shí)，可計(jì)算趨勢(shì)熵R：

(9)

式中：數(shù)學(xué)符號(hào)含義同式(7)、(8)。

標(biāo)準(zhǔn)情況下，不論f取值如何，R值應(yīng)接近于0；而當(dāng)R值超過(guò)一定閾值后，認(rèn)為數(shù)據(jù)后推f個(gè)計(jì)量周期，電能表出現(xiàn)計(jì)量問(wèn)題。

3 算法效能比較結(jié)果

在電網(wǎng)營(yíng)銷部門實(shí)際運(yùn)行大數(shù)據(jù)中，隨機(jī)選擇2018～2019年36萬(wàn)個(gè)用戶數(shù)據(jù)中，100個(gè)故障電表的記錄數(shù)據(jù)和100個(gè)非故障電表的記錄數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)混合后形成測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)，即測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)中擁有200個(gè)被測(cè)試數(shù)據(jù)[17]。革新算法在測(cè)試中，通過(guò)在測(cè)試數(shù)據(jù)中提取故障電表數(shù)據(jù)以測(cè)試其算例。傳統(tǒng)算法根據(jù)其在2018～2019年的實(shí)際業(yè)績(jī)進(jìn)行比較[18]。

3.1 革新算法的閾值選擇

在上述200條混合數(shù)據(jù)中，隨機(jī)選擇100個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值測(cè)定計(jì)算。對(duì)革新算法中的熵值S和R進(jìn)行閾值限定，發(fā)現(xiàn)S值閾值與革新算法敏感性的關(guān)系如圖3所示。

圖3 熵值S閾值與檢測(cè)敏感性間的關(guān)系Fig.3 Relationship between entropy S threshold and detection sensitivity

由圖3可知，熵值S閾值與檢測(cè)敏感性之間的關(guān)系，近似于倒U型結(jié)構(gòu)，當(dāng)S閾值設(shè)定過(guò)低時(shí)，檢測(cè)中無(wú)法排除干擾數(shù)據(jù)；當(dāng)S閾值設(shè)定過(guò)高時(shí)，檢測(cè)中可能出現(xiàn)漏檢的情況。顧在該測(cè)量結(jié)果中，選定S<0.180作為熵值S的檢測(cè)閾值。

發(fā)現(xiàn)R值閾值與革新算法敏感性的關(guān)系如圖4所示。

圖4 熵值R閾值與檢測(cè)敏感性間的關(guān)系Fig. 4 Relationship between entropy R thresholdand detection sensitivity

由圖4可知，熵值R閾值與檢測(cè)敏感性之間的關(guān)系，近似于倒U型結(jié)構(gòu)，當(dāng)R閾值設(shè)定過(guò)低時(shí)，檢測(cè)中無(wú)法排除干擾數(shù)據(jù)；當(dāng)R閾值設(shè)定過(guò)高時(shí)，檢測(cè)中可能出現(xiàn)漏檢的情況。故在該測(cè)量結(jié)果中，選定R<0.010作為熵值R的檢測(cè)閾值。

3.2 2種算法的效能比較

在上述200條混合數(shù)據(jù)中，排除閾值測(cè)定時(shí)使用的100個(gè)數(shù)據(jù)，使用另外100個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行效能比較分析。2種算法的實(shí)際效能如表1所示。

表1 2種算法效能比較結(jié)果表Tab.1 Comparison results of two algorithms

由表1可知，2種算法的差異性及革新算法的領(lǐng)先性表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)。

3.2.1革新算法的測(cè)量誤差率更低

因?yàn)閭鹘y(tǒng)算法的數(shù)據(jù)采集過(guò)程，一般需要人工操作，即使用手動(dòng)秒表確定一個(gè)測(cè)量時(shí)間段；通過(guò)肉眼觀察對(duì)電能表的脈沖讀數(shù)燈閃動(dòng)次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，使用鉗形表測(cè)量通過(guò)電能表的電流[19]。一般操作條件下，為了增加精度，則需要2人同時(shí)操作，即1人手持秒表計(jì)時(shí)的同時(shí)，觀察鉗形表讀數(shù)；1人手持計(jì)數(shù)器在讀數(shù)燈閃動(dòng)時(shí)按下計(jì)數(shù)。因?yàn)殂Q形表測(cè)量限制，無(wú)法同時(shí)獲得三相回路的電流，而需要對(duì)回路電流進(jìn)行分次量取。

該過(guò)程因?yàn)槿斯び?jì)量計(jì)數(shù)帶來(lái)的誤差、分次測(cè)量帶來(lái)的誤差，以及估計(jì)相位角、功率因數(shù)、電壓值帶來(lái)的誤差等，都會(huì)影響最終的數(shù)據(jù)誤差；而革新算法的所有數(shù)據(jù)均為設(shè)備采集的高置信度數(shù)據(jù)。2種算法條件下的差異性如表2所示。

表2 算法差異性比較表Tab.2 Comparison of algorithm differences

由表2可知，革新算法將無(wú)法精確獲得的數(shù)據(jù)全部排出在選入數(shù)據(jù)之外，即其完全通過(guò)電能計(jì)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而發(fā)現(xiàn)故障電能表的相關(guān)證據(jù)。該數(shù)據(jù)管理模式是其誤差率遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)算法的技術(shù)基礎(chǔ)。

3.2.2在竊電證據(jù)獲取、電表故障發(fā)現(xiàn)率等方面，革新算法略優(yōu)于傳統(tǒng)算法

不論是傳統(tǒng)算法還是革新算法其數(shù)據(jù)處理部分的核心目標(biāo)是篩選出問(wèn)題電能表，從而經(jīng)過(guò)進(jìn)一步現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)和電能表拆檢獲得相應(yīng)證據(jù)。所以，因?yàn)楦镄滤惴ㄔ跐撛趩?wèn)題電表的數(shù)據(jù)分析層面上具有精度優(yōu)勢(shì)，即在其他技術(shù)條件完全對(duì)等的情況下，自然表現(xiàn)出在竊電證據(jù)獲取、電表故障發(fā)現(xiàn)等方面表現(xiàn)出一定優(yōu)勢(shì)。

3.2.3革新算法的人力成本和時(shí)間成本更低

在不考慮人工到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)所用時(shí)間的前提下，革新算法從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)處理完畢，大約需要2.6 h，其主要時(shí)間消耗在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)錄入過(guò)程中。而革新算法所用數(shù)據(jù)本身即為該電能表的智能抄表數(shù)據(jù)記錄集，無(wú)須進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)錄入，更無(wú)須到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操作，所以其所用時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于傳統(tǒng)算法。

同時(shí)，傳統(tǒng)算法一般到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，需要2人以上協(xié)同操作，且受制于交通手段和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集過(guò)程的用時(shí)，每組人員在工作8 h內(nèi)可以操作的電表終端數(shù)量有限[20]。如果對(duì)城區(qū)10萬(wàn)規(guī)模的用戶電表進(jìn)行全面數(shù)據(jù)管控，則需要一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)管理團(tuán)隊(duì)；但革新算法中，僅需要1名數(shù)據(jù)管理人員在EXCEL等數(shù)據(jù)表管理軟件中編寫操作公式，可以隨時(shí)對(duì)城區(qū)超過(guò)10萬(wàn)規(guī)模的用戶電表數(shù)據(jù)進(jìn)行全面篩查。革新算法可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人干預(yù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)預(yù)警。

4 結(jié)語(yǔ)

革新算法完全排除了電能表計(jì)量檢查中的人工操作環(huán)節(jié)，且通過(guò)數(shù)據(jù)升維操作，在電能計(jì)量單列數(shù)據(jù)中獲取到S和R2個(gè)熵值，利用這2個(gè)熵值的閾值真值對(duì)比關(guān)系，隨時(shí)發(fā)現(xiàn)電能表的故障信息。該算法可以與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)接，形成自動(dòng)數(shù)據(jù)預(yù)警。